利用高光谱技术来减少纤维织物的浪费

纺织业造成的污染是世界人类日益遭受的染的重要组成部分。原因是多方面的。一方面，织物和服装的生产需要大量的资源，特别是棉花的生产需要大量的水。一方面，很大一部分使用过的和新的纺织品——目前估计每年大约有1600万吨——最终被扔进了垃圾填埋场，尽管至少部分材料是可以再利用的。此外，微塑料作为合成纺织纤维的残留物越来越多地进入土壤和水中，通过食物链危及整个动物物种和人类的生存。越来越频繁替换新衣服的趋势是造成这种负面发展的部分原因。时装业的公司每年都推出越来越多的时装系列。过去，市场上只有一个新的夏冬系列，现在每年推出多达25个新品也不再是奇怪的事。

为了减少这些发展对环境的严重后果，有必要大幅度提高纺织品回收的速度。这以当前手工方法无法实现,因为员工不能在所需的速度和耐力下区分不同的物质,此外,不同类型的纺织品有特殊知识要求: 完全基于外观来可靠识别和分离不同类型的纤维和混纺织物几乎是不可能的。更糟糕的是，这些工作场所通常非常不卫生，甚至有潜在的危险，因为要分类的纺织品可能含有毒素。因此，从长远来看，人工分拣纺织品是极其昂贵的。

欧盟反对纺织废料的新准则

欧盟(European Union)在2018年通过了打击纺织品废物的新准则，并为其成员国设定了一个最后期限:到2025年，它们应该完全回收所有纺织品。根据目前的技术水平，这个雄心勃勃的目标只能通过几种方法来实现。Esko Herrala知道，高光谱成像就是其中一种技术。多年来，芬兰公司Specim的联合创始人和高级应用专家一直在处理如何经济和安全地分离和回收不同材料的问题。他在“Committee for the Future”（ 未来委员会）为芬兰议会编写的一份报告中就这一主题作出了贡献。本报告的目的是了解芬兰如何从视觉产业中获益，以及该技术可以应用于哪些领域。

Herrala说:“我负责报告的循环经济部分，我演示了光电子系统在垃圾分类领域的各种可能用途。” 2019年，在Helsinki Parliament（赫尔辛基议会）的报告结果中，芬兰政府将纺织品分类定义为优先应用领域，并设定了到2023年收集和回收全国所有纺织品废物的目标。“芬兰已经是塑料和建筑垃圾分类领域的世界领先国家之一，也希望利用纺织回收的巨大经济潜力，以创新的解决方案，”Specim的联合创始人解释说。

高光谱近红外系统作为解决方案

从2019年底开始，Specim深入开展工作，寻找合适的合作伙伴。对于近红外高光谱相机的制造商来说，这项技术显然可以作为纺织品分类的一种可能解决方案。“首先，你必须知道不同的纺织品有各自的光谱特征，可以用来对织物进行分类。织物要么由天然纤维(如棉花)，要么由动物纤维(如羊毛)，要么由合成纤维(如聚酯)制成。混纺面料通常也由不同类型的纤维制成，”Herrala解释道。“不同的材料在化学和分子结构上有所不同。因此，这些物质对不同波长的电磁波的反应不同，它们吸收、反射或让电磁波通过的方式也不同。”

                                         不同的纺织品有各自的光谱特征，可以用来对织物进行分类

这些特性可以用高光谱成像系统对纺织品进行基于反射光的光谱分析。具有近红外波段(NIR)波长的特殊照相机与光谱仪相结合，可以清楚地识别被检测材料的化学成分，从而形成纺织品自动分类的基础。

“高光谱近红外图像处理系统与合适的分类算法相结合，可以区分不同面料和颜色的物质，以及天然、动物和合成纤维的识别，”Herrala解释说。“这项技术甚至可以提供混纺织物中合成纤维和天然纤维比例的定量信息。”

高光谱技术可以区分合成纤维、植物纤维和动物纤维
 

特定要求
Herrala回忆说，为纺织品分类提供可靠解决方案的开发，给specm提出了特定的要求:“在分类塑料时，黑色材料会大量吸收光线，这使得区分不同类型的黑色塑料变得更加困难。黑色面料也会出现这个问题。我们可以通过使用其他波长在中红外范围内的相机(MWIR、中波红外)来解决这个问题，但由于此类相机的成本较高，需要根据个别使用情况检查所需的成本效益。”

另一个困难是区分不同的物质时，他们是潮湿的或湿的。“我们使用了干和湿材料来测试系统，然后用干和湿纺织品测试分类算法。这一方法得到了有用的结果，但我们仍然倾向于对相对干燥的材料进行分类。”

Herrala表示，对所谓的多层纺织品进行分类仍未解决，目前这项技术已达到极限。

解决方案: SPECIM FX17

凭借基于InGaAs的光谱相机FX17, Specim为纺织品分类传感器提供了完美的解决方案。这款相机的工作波长范围从900到1700nm，除了一些合成黑色纺织品，如黑色聚酯或黑色尼龙，完全覆盖了传统织物的不同光谱特征。

由于一个特殊的技术特性,FX17相机也是非常灵活的关于记录速度:它提供了用户选择的选择和评估从224波长通道数和只使用那些手头特别有意义的应用程序由于材料测试对象的属性。使用的波长的数量对解决的速度有直接的影响:使用的波长越少，评价越快。这个特性被称为多感兴趣区域(MROI)，这意味着FX17在使用所有224个波段时可以达到每秒670条线的记录速度，然而，随着波段的减少，甚至每秒数千条线都是可能的。在只有4个波段的情况下，记录速度可以达到每秒15,000条线。

FX17的另一个特点是通过调整相机配置，根据其空间分类和不同的分辨率，增加了不同类型织物检测的可靠性，从而使测量结果在相机中统计平均，Herrala解释道: “特别是在纺织品检测方面，经常会出现反射或阴影的问题，这可能是由纺织品在运输和传送带上区分时的纽扣、铆钉或污垢造成的。如果不使用单个测量值的结果进行分类，而是使用所检查区域的统计平均值，则更有可能得到正确的结果。FX17提供了这种可能性。”

由于FX17相机的其他特点,如1000:1的优秀信噪比和高吞吐量,从而导致更少的光照射测试所需的区域,或更高的分类速度,这个相机已经被证明是一个优秀的传感器用于纺织排序。

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审核编辑：符乾江